芳綸纖維（Aramid fiber）全稱為"聚對苯二甲酰對苯二胺"，具有超高強(qiáng)度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優(yōu)良性能，芳綸纖維于1960s由美國杜邦公司（商品名為Kevlar）研發(fā)成功并商業(yè)化，因此在碳纖維出現(xiàn)之前，芳綸纖維一直占據(jù)著高性能纖維市場。

本文首先簡述了芳綸纖維發(fā)展歷程，隨后重點(diǎn)針對芳綸纖維復(fù)合材料優(yōu)異特性如高抗沖擊、低重量、耐磨等進(jìn)行了詳細(xì)描述。

上世紀(jì)60年代，美國杜邦公司全球首家以注冊商標(biāo)Kevlar引進(jìn)和生產(chǎn)芳綸的公司，自1973年起芳綸纖維就開始在市場上銷售。芳綸是由一位波蘭裔女化學(xué)家斯特凡妮婭·郭力克發(fā)現(xiàn)的，她當(dāng)時(shí)正在進(jìn)行一項(xiàng)研究，希望在輪胎制造中使用一種重量輕、強(qiáng)度特別強(qiáng)的材料來代替尼龍。

Kevlar纖維發(fā)明者——波蘭裔女化學(xué)家斯特凡妮婭·郭力克

如今芳綸復(fù)合材料中最有名的是杜邦公司的Kevlar凱夫拉纖維。隨著時(shí)間的推移，其他供應(yīng)商也以不同的商業(yè)名稱供應(yīng)芳綸，包括：杜邦公司提供的Nomex、日本帝人公司提供的Twaron和Technora、韓國Toray公司提供的Arawin、韓國Heracron公司提供的Kolon以及中國公司提供的一些產(chǎn)品。

因此，任何一種叫做Kevlar、Twaron或Nomex的材料實(shí)際上都是指芳綸，它具有特殊的性能，包括優(yōu)異的抗沖擊和耐磨性、耐高溫性以及低重量。由于這些特性，這種材料經(jīng)常用于陸軍、空軍、水上運(yùn)動和汽車運(yùn)動，以及輪胎、服裝和防護(hù)手套的制造和許多其他用途。

芳綸纖維材質(zhì)防護(hù)手套

芳綸纖維具有優(yōu)異的抗沖擊性能，并且由于其堅(jiān)韌且可吸收大量能量而在壓力下不會破裂。它廣泛用于制造防彈背心、船只、皮艇以及軍用車輛部件的裝甲。芳綸纖維復(fù)合材料的抗沖擊性能是碳纖維復(fù)合材料的5倍（采用落錘沖擊方法測試）。這種非凡的抗撞擊或抗子彈能力是由形成芳綸結(jié)構(gòu)的長原子鏈造成的。

鑒于優(yōu)異的抗沖擊特性，芳綸纖維被廣泛用于制造防彈背心和坦克裝甲材料的軍事用途。防彈背心通常是由幾十層芳綸（例如Kevlar）組成的材料制成，并在兩層之間包括一個陶瓷板。一些裝甲車（如美國M1坦克）所用的防護(hù)罩是由鋼-芳綸-鋼材料制成的，可以抵抗直徑達(dá)700mm的反坦克導(dǎo)彈。

芳綸纖維廣泛用于防彈背心領(lǐng)域

此外，除了保護(hù)坦克本身外，鋼-芳綸-鋼護(hù)盾還通過吸收穿透導(dǎo)彈產(chǎn)生的動能來保護(hù)乘員。Kevlar的另一個應(yīng)用是在波音AH-64上，這是一種配備了Kevlar旋翼的美軍主攻直升機(jī)。在這里，Kevlar可以防止直徑最大為23毫米的子彈。

芳綸纖維可為直升機(jī)提供防彈功能

由于具有很高的抗沖擊性，Kevlar被廣泛用于建造船只和皮劃艇，例如為沃爾沃海洋賽（Volvo Ocean Race）設(shè)計(jì)的游艇外殼，這是最艱巨的運(yùn)動挑戰(zhàn)之一。大多數(shù)水上運(yùn)動的高性能皮艇都是由芳綸纖維或碳纖維/芳綸纖維混合材料制成的。

芳綸纖維保護(hù)皮劃艇免受損害

2.2 低密度/低重量

芳綸纖維具有極低的重量，這是制造復(fù)合材料的一個優(yōu)勢。雖然碳纖維復(fù)合材料本身被認(rèn)為非常輕，但是芳綸纖維復(fù)合材料比碳纖維復(fù)合材料輕約20%。在復(fù)合材料中使用芳綸織物可增加抗沖擊和耐磨性，并降低了復(fù)合材料元件的重量。

芳綸纖維的密度約為1.45g/cm³，而芳綸與環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料的密度約為1.3g/cm³。該計(jì)算基于環(huán)氧樹脂與固化劑~1.1g/cm³的混合密度，以及復(fù)合材料生產(chǎn)過程中采用的先進(jìn)技術(shù)，即高壓釜預(yù)浸料。而在通常被認(rèn)為非常輕的碳纖維復(fù)合材料中，其密度接近1.55g/cm³，綜合對比，芳綸纖維復(fù)合材料比碳纖維復(fù)合材料輕20%。

如何比較芳綸纖維復(fù)合材料和金屬的重量？鋁為2.7g/cm³，鈦為4.5g/cm³，鋼為7.9g/cm³，因此，芳綸纖維復(fù)合材料比鋁輕2倍，比鈦輕3或4倍，比鋼輕6倍。

2.3 剛度適中，介于玻璃纖維和碳纖維之間

芳綸纖維復(fù)合材料比玻璃纖維復(fù)合材料具有更高的剛度，但也明顯低于碳纖維復(fù)合材料。芳綸纖維和碳纖維相似，有許多類型的纖維，包括標(biāo)準(zhǔn)、中等和高模量的纖維，它們可提供不同的剛度和強(qiáng)度。

不同種類纖維的剛度如下所示：

• 玻璃纖維織物——從72GPa（標(biāo)準(zhǔn)E-玻璃）到87GPa（S-增強(qiáng)強(qiáng)度的玻璃織物）；
  

• 碳纖維織物——從230GPa（東麗T300）到588GPa（東麗HM級M60J）；
  

• 芳綸纖維織物——從96GPa（標(biāo)準(zhǔn)芳綸即Kevlar 129）到186GPa（飛機(jī)/航空工業(yè)中使用的芳綸即Kevlar 149）。
  

綜上所述，由標(biāo)準(zhǔn)織物制成的芳綸復(fù)合材料的剛度比玻璃纖維復(fù)合材料高30-40%，與碳纖維復(fù)合材料相比則要低50%。

2.4 耐磨性

芳綸纖維復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于易磨損的零部件，如保護(hù)賽車發(fā)動機(jī)的防滑板。芳綸通常被萃取工業(yè)（如采礦工業(yè)）用于加固輸送帶的橡膠帶，并確保更高的強(qiáng)度和耐磨性，據(jù)Kevlar制造商稱，加固后可使耐磨性提高50-70%。由于這些特性，該材料可用于復(fù)合材料以及工作服，如使用芳綸織物的防割安全手套，如Twaron或Kevlar。

2.5 低介電常數(shù)

芳綸纖維復(fù)合材料的介電常數(shù)低至?3.85（10 GHz），保證了信號穿透芳綸防護(hù)罩/天線罩的良好性能和強(qiáng)度。這種天線廣泛用于軍事目的，例如在軍用飛機(jī)上。

芳綸纖維用于軍事天線罩

芳綸纖維復(fù)合材料外殼/天線罩可保護(hù)天線不受損壞并確保良好的信號性能。相比之下，E-玻璃纖維復(fù)合材料提供的電容率對應(yīng)于6.1（10 GHz），導(dǎo)致天線信號功率和性能降低60％。除芳綸外，還使用石英纖維，其介電常數(shù)為3.78（10 GHz）。

2.6 其他特性

芳綸纖維具有低熱膨脹特性，在高溫下非常穩(wěn)定，幾乎為零，熱膨脹系數(shù)略為負(fù)，相當(dāng)于（-2.4 x 10?? /°C）。芳綸纖維是很好的絕緣體，不導(dǎo)電。

芳綸纖維復(fù)合材料的一種特殊性能與振動吸收相關(guān)，因此可用于制造承受振動的部件，如飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件。

2.7 與其他織物加工混合復(fù)合材料

芳綸纖維織物可根據(jù)需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，用于碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料，為復(fù)合材料產(chǎn)品的供應(yīng)商提供了多種可能性。

對于碳纖維復(fù)合材料，可以通過添加幾層芳綸纖維織物來提高抗沖擊性能。由50%的碳纖維和50%的芳綸纖維組合而成的混雜復(fù)合材料，與僅由碳纖維制成的復(fù)合材料相比，抗沖擊性能最高可提高25%。

芳綸纖維-碳纖維混編織物

（來源：碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)）

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